Беспилотный летательный аппарат

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям беспилотных летательных аппаратов вертикального взлета. Беспилотный летательный аппарат состоит из кольцевого крыла, вентилятора-движителя, центрального тела и, по меньшей мере, четырех независимых аэродинамических рулей. Внутренняя поверхность кольцевого крыла включает цилиндрический участок диаметром D_вд и длиной L_цил=(0.45÷0.55)D_вд, хорда кольцевого крыла составляет b_кк=(1.1÷1.25)D_вд, максимальная толщина профиля кольцевого крыла составляет h_max=(0.145÷0.18)D_вд, а расстояние от крайней передней точки кольцевого крыла до начала цилиндрического участка составляет L_нос=(0.145÷0.165)h_max. Внутри цилиндрического участка расположен вентилятор-движитель. Вентилятор-движитель состоит из входного направляющего аппарата, рабочего колеса и спрямляющего аппарата. Входной направляющий аппарат состоит из радиальных аэродинамических элементов, которые соединяют кольцевое крыло и центральное тело. Указанные элементы имеют симметричный профиль с хордой постоянной величины. Лопатки рабочего колеса и спрямляющего аппарата имеют сложную аэродинамическую форму. Изобретение позволяет улучшить аэродинамические характеристики БПЛА и, как следствие, повысить эффективность его работы. 6 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Изобретение относится к области транспортирования, а именно к беспилотным летательным аппаратам вертикального взлета с кольцевым крылом.

Из уровня техники известны беспилотные летательные аппараты (БПЛА) различных схем. Кроме аппаратов традиционных схем (самолетная, вертолетная), существуют так называемые аппараты вертикального взлета и посадки с вентилятором в канале (Ducted Fan VTOL UAV) в качестве несущей системы. Характерными аналогами являются аппараты iSTAR фирмы Allied Aerospace, T-Hawk фирмы Honeywell, IAV фирмы BAE Systems Inc.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является беспилотный летательный аппарат, состоящий из кольцевого крыла, вентилятора-движителя, центрального тела и, по меньшей мере, четырех независимых аэродинамических рулей (см. патент EP 2193994, кл. B64C 39/02, опубл. 09.06.2010).

Общими недостатками известных устройств являются невысокий КПД, недостаточная мощность, плохая управляемость и малая аэродинамическая стабильность БПЛА.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в улучшении аэродинамических характеристик БПЛА и, как следствие, в повышении эффективности его работы. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в беспилотном летательном аппарате, состоящем из кольцевого крыла, вентилятора-движителя, центрального тела и, по меньшей мере, четырех независимых аэродинамических рулей, внутренняя поверхность кольцевого крыла включает цилиндрический участок диаметром D_вд и длиной L_цил=(0.45÷0.55)D_вд, хорда кольцевого крыла составляет b_кк=(1.1÷1.25)D_вд, максимальная толщина профиля кольцевого крыла составляет h_max=(0.145÷0.18)D_вд, a расстояние от крайней передней точки кольцевого крыла до начала цилиндрического участка составляет L_нос=(0.145÷0.165)h_max, при этом внутри цилиндрического участка расположен вентилятор-движитель, состоящий из входного направляющего аппарата, рабочего колеса и спрямляющего аппарата, входной направляющий аппарат состоит из радиальных аэродинамических элементов, соединяющих кольцевое крыло и центральное тело и имеющих симметричный профиль с хордой постоянной величины, рабочее колесо выполнено таким образом, что средняя линия профилей его лопаток изогнута по дуге окружности, величина хорды b_рк описывается линейной функцией от радиуса, угол установки профилей θ_рк описывается кубической функцией от радиуса, величина прогиба f_рк описывается полиномом пятой степени от радиуса, величина толщины профиля c_рк описывается линейной функцией от радиуса, а спрямляющий аппарат выполнен таким образом, что средняя линия профилей его лопаток изогнута по дуге окружности, величины хорды b_са и толщины c_са профиля постоянны, угол установки профилей θ_са описывается кубической функцией от радиуса, а величина прогиба f_рк описывается полиномом пятой степени от радиуса. Центральное тело предпочтительно выполнено цилиндрическим с диаметром D_цп=0.35D_вд, а его длина составляет L_цт=(1.75÷1.95)D_вд. Расстояние от начала цилиндрического участка кольцевого крыла до точки максимальной толщины профиля предпочтительно составляет L_hmax=(0.18÷0.23)h_max. Высота от крайней передней точки кольцевого крыла до цилиндрического участка предпочтительно составляет h_нос=(0.65÷0.8)h_max. Диаметр кольцевого крыла на выходе предпочтительно составляет D_вых=(1.05÷1.19)D_вд. Отношение числа радиальных аэродинамических элементов входного направляющего аппарата n_вна к числу лопаток рабочего колеса n_рк предпочтительно составляет 7/5.

На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого БПЛА;

на фиг.2 - поперечное сечение кольцевого крыла и центрального тела с характерными размерами;

на фиг.3 - общий вид вентилятора-движителя;

на фиг.4 - общий вид радиальных аэродинамических элементов входного направляющего аппарата;

на фиг.5 - то же, что на фиг.4, вид сбоку;

на фиг.6 - сечение А-А по фиг.5;

на фиг.7 - общий вид лопасти рабочего колеса;

на фиг.8 - то же, что на фиг.7, вид сбоку;

на фиг.9 - сечение А-А по фиг.8;

на фиг.10 - общий вид лопасти спрямляющего аппарата;

на фиг.11 - то же, что на фиг.10, вид сбоку;

на фиг.12 - сечение А-А по фиг.11.

Предлагаемый БПЛА состоит из кольцевого крыла 1, вентилятора-движителя, в состав которого входят входной направляющий аппарат 2, рабочее колесо 3 и спрямляющий аппарат 4, центральное тело 5, в котором размещается полезная нагрузка, и четыре или более независимых аэродинамических рулей 6. Указанные элементы имеют описанную ниже оптимальную аэродинамическую компоновку.

Кольцевое крыло 1 является телом вращения с несимметричным профилем, содержащим цилиндрический участок, в котором расположен вентилятор-двигатель. Относительная длина этого участка составляет

$${\overline{L}}_{цил}=\frac{L_{цил}}{D_{вд}}=\mathrm{0,45}\dots \mathrm{0,55}$$

где L_цил - размерная длина цилиндрического участка, а

D_вд - внешний диаметр вентилятора-движителя или диаметр цилиндрического участка крыла 1.

Центральное тело 5 выполнено цилиндрическим с диаметром D_цт=0.35D_вд. Его относительная длина составляет

$${\overline{L}}_{цт}=\frac{L_{цт}}{D_{вд}}=\mathrm{1,75}\dots \mathrm{1,95}$$

где L_цт - размерная длина центрального тела.

Геометрия кольцевого крыла 1 представлена на фиг.2.

Диаметр кольцевого крыла на выходе предпочтительно составляет D_вых=(1.05÷1.19)D_вд.

Безразмерная хорда кольцевого крыла составляет

$${\overline{b}}_{кк}=\frac{b_{кк}}{D_{вд}}=\mathrm{1,1}\dots \mathrm{1,25}$$

где b_кк - размерная хорда кольцевого крыла.

Безразмерная максимальная толщина профиля кольцевого крыла составляет

$${\overline{h}}_{\max }=\frac{h_{\max }}{D_{вд}}=\mathrm{0,145}\dots \mathrm{0,18}$$

где h_max - размерная максимальная толщина профиля кольцевого крыла.

Безразмерное расстояние от крайней передней точки кольцевого крыла до начала цилиндрического участка составляет

$${\overline{L}}_{нос}=\frac{L_{нос}}{h_{\max }}=\mathrm{0,145}\dots \mathrm{0,165}$$

где L_нос - размерное расстояние от крайней передней точки кольцевого крыла.

Безразмерная высота от крайней передней точки кольцевого крыла до цилиндрического участка составляет

$${\overline{h}}_{нос}=\frac{h_{нос}}{h_{\max }}=\mathrm{0,65}\dots \mathrm{0,8}$$

где h_нос - размерная высота от крайней передней точки кольцевого крыла.

Безразмерное расстояние от начала цилиндрического участка до точки максимальной толщины профиля составляет

$${\overline{L}}_{h\max }=\frac{L_{h\max }}{h_{\max }}=\mathrm{0,18}\dots \mathrm{0,23}$$

где L_hmax - размерное расстояние до точки максимальной толщины. Безразмерный диаметр кольцевого крыла на выходе составляет

$${\overline{D}}_{вых}=\frac{D_{вых}}{D_{вд}}=\mathrm{1,05}\dots \mathrm{1,19}$$

где D_вых - размерный диаметр кольцевого крыла на выходе.

Геометрия вентилятора-движителя представлена на фиг.3. Отношение числа радиальных аэродинамических элементов входного направляющего аппарата n_вна к числу лопаток рабочего колеса n_рк составляет 7/5.

Входной направляющий аппарат 2 состоит из радиальных аэродинамических элементов, выполняющих роль распорок и соединяющих кольцевое крыло 1 и центральное тело 5. Указанные элементы (см. фиг.4-6) имеют симметричный профиль с хордой постоянной величины, что позволяет выравнивать поток перед рабочим колесом 3 на различных режимах полета и приводит к увеличению тяги вентилятора-движителя.

В рабочем колесе 3 (фиг.7-9) профили лопастей имеют среднюю линию, изогнутую по дуге окружности. Распределение величины хорды $${\overline{b}}_{рк}$$ профилей от радиуса описывается по линейному закону

$${\overline{b}}_{рк}=\frac{b_{рк}}{R_{рк}}=-\mathrm{0,162}\frac{r}{R_{рк}}+\mathrm{0,384}$$

где r - текущий радиус рабочего колеса,

R_рк - внешний радиус рабочего колеса.

Зависимость угла установки профилей θ_рк от радиуса описывается кубической функцией

$${\theta }_{рк}=-\mathrm{93,17}{\left(\frac{r}{R_{рк}}\right)}^3+\mathrm{275,6}{\left(\frac{r}{R_{рк}}\right)}^2-\mathrm{303,3}\frac{r}{R_{рк}}\mathrm{144,6}$$ .

Зависимость величины прогиба $${\overline{f}}_{рк}$$ от радиуса описывается полиномом пятой степени

$$\begin{array}{l}{\overline{f}}_{рк}=\frac{f_{рк}}{b_{рк}}=-\mathrm{1,509}{\left(\frac{r}{R_{рк}}\right)}^5+\mathrm{5,647}{\left(\frac{r}{R_{рк}}\right)}^4-\mathrm{8,498}{\left(\frac{r}{R_{рк}}\right)}^3+\\ +\mathrm{6,548}{\left(\frac{r}{R_{рк}}\right)}^2-\mathrm{2,653}\frac{r}{R_{рк}}+\mathrm{0,492}\end{array}$$ .

Зависимость толщины профиля $${\overline{c}}_{рк}$$ от радиуса описывается по линейному закону

$${\overline{c}}_{рк}=\frac{c_{рк}}{b_{рк}}=-\mathrm{0,077}\frac{r}{R_{рк}}+\mathrm{0,176}$$ .

В спрямляющем аппарате 4 (фиг.10-12) для его лопастей величина хорды $${\overline{b}}_{са}$$ и величина толщины профиля $${\overline{c}}_{са}$$ постоянны и не зависят от текущего радиуса

$${\overline{b}}_{са}=\frac{b_{са}}{R_{рк}}=\mathrm{0,297}$$

$${\overline{c}}_{са}=\frac{c_{са}}{b_{са}}=\mathrm{0,1}$$

Зависимость величины угла установки профилей θ_са от радиуса описывается кубической функцией

$${\theta }_{са}=-\mathrm{32,52}{\left(\frac{r}{R_{рк}}\right)}^3+\mathrm{92,16}{\left(\frac{r}{R_{рк}}\right)}^2-\mathrm{94,87}\frac{r}{R_{рк}}-\mathrm{49,96}$$ .

Зависимость величина прогиба $${\overline{f}}_{са}$$ от радиуса описывается полиномом пятой степени

$$\begin{array}{l}{\overline{f}}_{са}=\frac{f_{са}}{b_{са}}=\mathrm{0,731}{\left(\frac{r}{R_{рк}}\right)}^5-\mathrm{5,592}{\left(\frac{r}{R_{рк}}\right)}^4+\mathrm{3,493}{\left(\frac{r}{R_{рк}}\right)}^3-\\ -\mathrm{2,147}{\left(\frac{r}{R_{рк}}\right)}^2+\mathrm{0,499}\frac{r}{R_{рк}}+\mathrm{0,073}\end{array}$$ .

Экспериментально было показано, что такие геометрические параметры вентилятора-движителя обеспечивают создание необходимой тяги. Для того чтобы транспортировать необходимый вес полезной нагрузки, БПЛА может быть соответствующим образом промасштабирован с сохранением вышеприведенных соотношений, при этом изменится мощность, потребляемая вентилятором-движителем, и потребное число оборотов.

1. Беспилотный летательный аппарат, состоящий из кольцевого крыла, вентилятора-движителя, центрального тела и, по меньшей мере, четырех независимых аэродинамических рулей, отличающийся тем, что внутренняя поверхность кольцевого крыла включает цилиндрический участок диаметром D_вд и длиной L_цил=(0.45÷0.55)D_вд, хорда кольцевого крыла составляет b_кк=1.1÷1.25D_вд, максимальная толщина профиля кольцевого крыла составляет h_max=(0.145÷0.18)D_вд, а расстояние от крайней передней точки кольцевого крыла до начала цилиндрического участка составляет L_нос=(0.145÷0.165)h_max, при этом внутри цилиндрического участка расположен вентилятор-движитель, состоящий из входного направляющего аппарата, рабочего колеса и спрямляющего аппарата, входной направляющий аппарат состоит из радиальных аэродинамических элементов, соединяющих кольцевое крыло и центральное тело и имеющих симметричный профиль с хордой постоянной величины, рабочее колесо выполнено таким образом, что средняя линия профилей его лопаток изогнута по дуге окружности, величина хорды b_рк описывается линейной функцией от радиуса, угол установки профилей θ_рк описывается кубической функцией от радиуса, величина прогиба f_рк описывается полиномом пятой степени от радиуса, величина толщины профиля c_рк описывается линейной функцией от радиуса, а спрямляющий аппарат выполнен таким образом, что средняя линия профилей его лопаток изогнута по дуге окружности, величины хорды b_са и толщины c_са профиля постоянны, угол установки профилей θ_са описывается кубической функцией от радиуса, а величина прогиба f_рк описывается полиномом пятой степени от радиуса.

2. Летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что центральное тело выполнено цилиндрическим с диаметром D_цт=0.35D_вд.

3. Летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что длина центрального тела составляет L_цт=(1.75÷1.95)D_вд.

4. Летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что расстояние от начала цилиндрического участка кольцевого крыла до точки максимальной толщины профиля составляет L_hmax=(0.18÷0.23)h_max.

5. Летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что высота от крайней передней точки кольцевого крыла до цилиндрического участка составляет h_нос=(0.65÷0.8)h_max.

6. Летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что диаметр кольцевого крыла на выходе составляет D_вых=(1.05÷1.19)D_вд.

7. Летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что отношение числа радиальных аэродинамических элементов входного направляющего аппарата n_вна к числу лопаток рабочего колеса n_рк составляет 7/5.